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原文传递盾构隧道管片力学行为研究

论文题名：	盾构隧道管片力学行为研究
关键词：	盾构隧道;隧道管片;力学行为;施工阶段;管片接头;混凝土管片;应力分布;钢筋;盾构机;裂缝分布;弯曲荷载;千斤顶;钢纤维混凝土;施工状态;使用阶段;有限元;螺栓孔;局部;顶力;推进姿态
摘要：	本文研究了盾构隧道管片接头、本体及钢筋在施工阶段及正常运营阶段力学行为。盾构法隧道以其独特的优点已在城市隧道施工技术中确立了稳固的统治地位。由此可见，对盾构隧道结构的研究对城市轨道交通建设有极为重要的意义。目前在地铁盾构隧道中，衬砌一般为钢筋混凝土结构，管片的造价占整个隧道造价的40％左右，所以如何在满足管片承载力的条件下又可提高其经济性就成为研究的重点。针对盾构隧道结构的特点，论文在研究并总结了大量前人的研究成果基础上，以广州地铁为背景，对盾构隧道管片纵向接头、管片本体、管片钢筋和钢纤维混凝土管片四大方面进行了研究。在总结前人对接头力学行为研究成果的基础上，考虑接头的螺栓孔、手孔、橡胶止水条、软木衬垫和弯曲螺栓，建立盾构隧道管片纵向接头精细的三维有限元模型，对接头施加不同的荷载组合，研究管片接头的力学行为。有限元数值试验表明管片纵向接头的正、负弯曲刚度主要呈线性性质，接头刚度受接头内力组合的偏心距影响，偏心距越大，接头刚度越大；管片接头承受正弯曲荷载时，裂缝主要出现在手孔端面及螺栓孔，承受负弯曲荷载时，接头不出现裂缝；接头连接螺栓对管片的挤压力随接头荷载组合的偏心距的增大而增大。对管片本体力学行为的研究主要以施工阶段为主，管片环在施工阶段荷载作用下的位移、错台量、应力及裂缝分布是论文研究的关键问题。综合运用室内足尺试验和有限元数值分析两种方法，根据研究问题的不同，建立了包括单块管片、1环管片和1段盾构隧道的有限元模型，分别研究了管片在施工阶段如下六个方面的问题：(1)管片纵缝接头在施工阶段的刚度及验证管片在施工过程中出现的开裂及破损问题是否由接头弯曲荷载导致；(2)管片在理想施工状态下(即管片拼装没有误差、注浆压力分布较均匀且量值在允许范围内、千斤顶顶力没有过大且顶力中心落在管片环缝面中心线上、盾构机推进姿态没有偏差且盾构机轴线与隧道轴线重合)的位移及应力分布；(3)盾构机推进姿态存在偏差导致盾构机盾尾挤压管片时管片的位移状态、应力分布及错台量；(4)施工误差及楔形块对管片环在应力及位移方面的影响；(5)管片在千斤顶顶力下的应力和裂缝分布；(6)管片出现局部开裂原因。通过以上六个方面的研究可知，施工阶段管片接头刚度呈线性变化且量值较小，管片在施工阶段出现的开裂与破损不会在施工状态的正常压弯变形状态下出现；理想施工状态下，管片不会出现裂缝及破损的情况；千斤顶顶力作用阶段是施工阶段管片受力的最不利工况；盾构机姿态偏差引起邻接块环缝面受压时，隧道的整体变形较大，当盾构机挤压管片造成圆环下部标准块环缝面受压时，管片间错台量最大；纵缝拼装误差能造成均匀注浆压力下管片产生不规则变形，造成无规律错台及管片纵缝螺栓孔开裂；在千斤顶顶力作用下，管片的裂缝除分布于螺栓孔和手孔外，主要集中在管片环缝面；总推力过大、管片环面不平整、千斤顶撑靴重心偏位、盾构机姿态控制与曲线段不匹配造成盾尾管片环受盾尾挤压而不规则变形四大因素使管片间产生的相对扭转是造成管片局部裂缝的原因。对管片本体的研究对了解管片内部应力分布情况有重要的作用，也为管片配筋的研究打下坚实基础。管片的配筋形式和配筋量影响管片在施工阶段及正常使用阶段的抗裂性能，也影响盾构区间隧道的造价。在研究管片本体的基础上，利用三维有限元法，对不同阶段及边界条件下管片钢筋应力进行了如下四个方面的研究：(1)管片钢筋在理想施工状态下应力；(2)盾构机推进姿态存在偏差导致盾构机盾尾挤压管片时管片钢筋的应力分布；(3)管片钢筋在千斤顶顶力下的应力分布；(4)管片钢筋在正常使用阶段不同分布形式的土压力荷载作用下的应力分布。通过以上四个方面的研究发现：管片钢筋在短期荷载作用下，各阶段的总体应力水平较低，钢筋处于弹性工作状态；钢筋的存在并未能有效防止管片局部裂缝及破损的出现。综合管片在正常使用阶段和施工阶段的裂缝分布及钢筋应力发现，管片的裂缝及破损多出现在钢筋未能保护的素混凝土部分，钢筋不能有效防止管片局部裂缝及破损的出现，因而推断，在管片混凝土中掺入少量钢纤维，可以提高管片混凝土的抗裂、抗冲击性能。为验证钢纤维掺入对混凝土管片局部力学性能的改善，首先研究单块管片在各种荷载下的力学特性，即应力、裂缝分布及薄弱部分；然后通过修改混凝土材料参数，采用简化的钢纤维混凝土计算方法，初步探讨钢纤维混凝土管片在施工阶段及正常使用阶段的力学特性，即应力、裂缝分布及薄弱部分，并将其与普通混凝土管片对比，研究钢纤维掺入对混凝土管片局部力学性能的改善。研究发现，钢纤维掺入能有效提高管片在施工状态时千斤顶顶力、正常使用状态时螺栓对管片挤压力作用下的初裂荷载和极限荷载，改善混凝土管片局部力学性能。
作者：	陈俊生
专业：	结构工程
导师：	莫海鸿
授予学位：	博士
授予学位单位：	华南理工大学
学位年度：	2007
正文语种：	中文